Charakteristiky uhlíkových atómov, štruktúra, hybridizácia, klasifikácia

atóm uhlíka Je to snáď najdôležitejší a najvýraznejší symbol všetkých prvkov, pretože vďaka nej je existencia života možná. Uzatvára v sebe nielen niekoľko elektrónov, alebo jadro s protónmi a neutrónmi, ale aj hviezdicový prach, ktorý končí začlenením a formuje živé bytosti.

Atómy uhlíka sa nachádzajú aj v zemskej kôre, hoci nie s množstvom porovnateľným s kovovými prvkami, ako je železo, uhličitany, oxid uhličitý, olej, diamanty, sacharidy atď. fyzikálne a chemické prejavy.

Ale ako je atóm uhlíka? Prvý nepresný náčrt je ten, ktorý je pozorovaný na obrázku vyššie, ktorého vlastnosti sú opísané v nasledujúcej časti.

Atómy uhlíka prechádzajú atmosférou, morom, podložím, rastlinami a akýmikoľvek druhmi zvierat. Jeho veľká chemická rozmanitosť je spôsobená vysokou stabilitou väzieb a ich usporiadaním v priestore. Tak má na jednej strane hladký a mazací grafit; a na druhej strane diamant, ktorého tvrdosť prevyšuje tvrdosť mnohých materiálov.

Ak atóm uhlíka nemal vlastnosti, ktoré by ho charakterizovali, organická chémia by neexistovala úplne. Niektorí vizionári v ňom vidia nové materiály budúcnosti, a to prostredníctvom návrhu a funkcionalizácie alopatropických štruktúr (uhlíkové nanorúrky, grafén, fullerény atď.)..

index

• 1 Charakteristiky atómu uhlíka
• 2 Štruktúra
• 3 Hybridizácia
  • 3.1 sp3
  • 3.2 sp2 a sp
• 4 Klasifikácia
  • 4.1 Primárne
  • 4.2 Sekundárne
  • 4.3 Terciárny
  • 4.4 Štvrťrok
• 5 Použitie
  • 5.1 Jednotka atómovej hmotnosti
  • 5.2 Uhlíkový cyklus a život
  • 5,313C NMR spektroskopia
• 6 Referencie

Charakteristiky atómu uhlíka

Atóm uhlíka je symbolizovaný písmenom C. Jeho atómové číslo Z je 6, preto má šesť protónov (červené kruhy so symbolom "+" v jadre). Okrem toho má šesť neutrónov (žlté kruhy s písmenom "N") a nakoniec šesť elektrónov (modré hviezdy).

Súčet hmotností ich atómových častíc dáva priemernú hodnotu 12,0107 u. Atóm v obraze však zodpovedá izotopu s 12 atómami uhlíka (¹²C), ktorý sa skladá z d. Iné izotopy, ako napr ¹³C a ¹⁴C, menej hojné, sa líši len počtom neutrónov.

Takže, ak kreslíte tieto izotopy ¹³C by mal ďalší žltý kruh a ¹⁴C, ešte dve. To logicky znamená, že sú ťažšími atómami uhlíka.

Okrem toho, aké ďalšie charakteristiky možno v tomto ohľade spomenúť? Je to mnohoraké, to znamená, že môže tvoriť štyri kovalentné väzby. Nachádza sa v skupine 14 (DPH) periodickej tabuľky, presnejšie v bloku p.

Je to tiež veľmi všestranný atóm, schopný prepojiť sa s takmer všetkými prvkami periodickej tabuľky; najmä so sebou, tvoriac makromolekuly a lineárne, rozvetvené a lamelové polyméry.

štruktúra

Aká je štruktúra atómu uhlíka? Ak chcete odpovedať na túto otázku, musíte najprv prejsť do svojej elektronickej konfigurácie: 1s²2s²2p² alebo [He] 2s²2p².

Preto existujú tri orbitály: 1s², 2s² a 2p², každý s dvoma elektrónmi. Toto je možné vidieť aj na obrázku vyššie: tri prstence s dvoma elektrónmi (modré hviezdy) (nezmieňajte krúžky obežnými dráhami: sú orbitálne).

Všimnite si však, že dve hviezdy majú tmavší odtieň modrej farby než ostatné štyri. Prečo? Pretože prvé dve zodpovedajú vnútornej vrstve 1s² alebo [He], ktorý sa nezúčastňuje priamo na tvorbe chemických väzieb; zatiaľ čo elektróny vonkajšej vrstvy, 2s a 2p.

Orbitály s a p nemajú rovnaký tvar, takže znázornený atóm nie je v súlade s realitou; Okrem veľkej disproporcie vzdialenosti medzi elektrónmi a jadrom, ktorá by mala byť stokrát väčšia.

Preto sa štruktúra atómu uhlíka skladá z troch orbitálov, kde sa elektróny "roztavia" do rozptýlených elektronických oblakov. Medzi jadrom a týmito elektrónmi je vzdialenosť, ktorá nám umožňuje nahliadnuť do obrovskej "prázdnoty" vo vnútri atómu..

hybridizácia

Už bolo spomenuté, že atóm uhlíka je štvormocný. Podľa jeho elektronickej konfigurácie sú 2s elektróny spárované a 2p elektróny sú nepárové:

Zostáva dostupný p orbitál, ktorý je prázdny a naplnený ďalším elektrónom v atóme dusíka (2p³).

Podľa definície kovalentnej väzby je potrebné, aby každý atóm prispieval k tvorbe elektrónov; Možno však pozorovať, že v bazálny stav atóm uhlíka, má sotva dva nepárové elektróny (jeden v každom 2p orbitáli). To znamená, že v tomto stave je to dvojmocný atóm, a preto tvorí iba dve väzby (-C-).

Ako je teda možné, že atóm uhlíka tvorí štyri väzby? Aby ste to dosiahli, musíte podporovať elektrón z orbitálu 2s na orbitál 2p s vyššou energiou. Toto sú štyri výsledné orbitály zvrhlík; inými slovami, majú rovnakú energiu alebo stabilitu (všimnite si, že sú zarovnané).

Tento proces je známy ako hybridizácia a vďaka tomu má teraz atóm uhlíka štyri orbitálne sp³ s jedným elektrónom, z ktorých každý tvorí štyri články. Je to kvôli jeho charakteristike, že je viacnásobný.

sp³

Keď atóm uhlíka má sp hybridizáciu³, Orientujte svoje štyri hybridné orbitály na vrcholy štvorstenu, čo je jeho elektronická geometria.

Takže môžete identifikovať uhlíkový sp³ pretože tvorí iba štyri jednoduché väzby, ako v molekule metánu (CH₄). A okolo toho je možné pozorovať tetrahedrálne prostredie.

Prekrývanie sp orbitálov³ je tak účinný a stabilný, že jednoduchá väzba C-C má entalpiu 345,6 kJ / mol. To vysvetľuje, prečo existujú nekonečné uhlíkové štruktúry a nemerateľné množstvo organických zlúčenín. Okrem toho môžu atómy uhlíka tvoriť iné typy väzieb.

sp² a sp

Atóm uhlíka je tiež schopný prijať iné hybridizácie, ktoré mu umožnia vytvoriť dvojitú alebo dokonca trojitú väzbu.

V sp hybridizácii², Ako je vidieť na obrázku, existujú tri sp orbitály² degenerovaný a orbitál 2p zostáva nezmenený alebo "čistý". S tromi sp orbitals² oddelené 120 °, uhlík tvorí tri kovalentné väzby ťahaním elektronickej geometrie trigonálnej roviny; zatiaľ čo s 2p orbitálom, kolmým na ostatné tri, tvorí väzbu π: -C = C-.

Pre prípad sp hybridizácie sú dva sp orbitály oddelené o 180 °, takže čerpajú lineárnu elektronickú geometriu. Tentoraz majú dva čisté 2p orbitály, kolmé na seba, ktoré umožňujú, aby uhlík tvoril trojité väzby alebo dve dvojité väzby: -C = C- alebo · C = C = C ·· (centrálny uhlík má sp hybridizáciu) ).

Všimnite si, že vždy (zvyčajne), ak pridáte odkazy okolo uhlíka, zistíte, že číslo sa rovná štyrom. Tieto informácie sú nevyhnutné pri kreslení Lewisových štruktúr alebo molekulových štruktúr. Atóm uhlíka tvoriaci päť väzieb (= C = C) je teoreticky a experimentálne neprípustný.

klasifikácia

Ako sú atómy uhlíka klasifikované? Viac ako klasifikácia podľa vnútorných charakteristík závisí v skutočnosti od molekulárneho prostredia. To znamená, že v molekule môžu byť uhlíkové atómy klasifikované podľa nasledujúceho.

primárny

Primárny uhlík je uhlík, ktorý je viazaný iba na iný uhlík. Napríklad molekula etánu, CH₃-CH₃ pozostáva z dvoch viazaných primárnych uhlíkov. To signalizuje koniec alebo začiatok uhlíkového reťazca.

sekundárne

Je to ten, ktorý je spojený s dvoma uhlíkmi. Takže pre molekulu propánu, CH₃-CH₂-CH₃, atóm uhlíka v médiu je sekundárny (metylénová skupina, -CH₂-).

terciárne

Terciárne uhlíky sa od ostatných líšia, pretože z nich vznikajú vetvy hlavného reťazca. Napríklad 2-metylbután (tiež nazývaný izopentán), CH₃-CH(CH₃) -CH₂-CH₃ Má terciárny uhlík zvýraznený tučným písmom.

kvartérne

A nakoniec, kvartérne uhlíky, ako už názov napovedá, sú spojené so štyrmi ďalšími atómami uhlíka. Molekula neopentánu, C(CH₃)₄ má kvartérny atóm uhlíka.

aplikácie

Jednotka atómovej hmotnosti

Priemerná atómová hmotnosť ¹²C sa používa ako štandardné opatrenie na výpočet hmotnosti ostatných prvkov. Vodík teda váži dvanástinu tohto izotopu uhlíka, ktorý sa používa na definovanie toho, čo je známe ako atómová hmotnostná jednotka u.

Takže ostatné atómové hmotnosti možno porovnať s hmotnosťou ¹²C a ¹H. Napríklad horčík (²⁴Mg) váži asi dvakrát toľko ako atóm uhlíka a 24-krát viac ako atóm vodíka.

Cyklus uhlíka a život

Rastliny absorbujú CO₂ v procese fotosyntézy uvoľňovať kyslík do atmosféry a pôsobiť ako rastlinné pľúca. Keď zomrú, stanú sa uhlím, ktoré po horení uvoľňuje CO₂. Jedna časť sa vracia do rastlín, ale druhá končí v morských posteliach a živí mnoho mikroorganizmov.

Keď mikroorganizmy umierajú, zostávajúca pevná látka do svojich biologických rozkladných sedimentov a po miliónoch rokov sa transformuje na to, čo je známe ako olej..

Keď ľudstvo používa tento olej ako alternatívny zdroj energie na spaľovanie uhlia, prispieva k uvoľňovaniu väčšieho množstva CO₂ (a iné nežiaduce plyny).

Na druhej strane, život využíva atómy uhlíka z najhlbších základov. Je to spôsobené stabilitou jeho väzieb, čo mu umožňuje vytvárať reťazce a molekulárne štruktúry, ktoré tvoria makromolekuly rovnako dôležité ako DNA..

NMR spektroskopia ¹³C

¹³C, aj keď je v oveľa menšom pomere ako v prípade. \ T ¹²C, jej množstvo je dostatočné na objasnenie molekulárnych štruktúr prostredníctvom nukleárnej magnetickej rezonančnej spektroskopie typu uhlík-13.

Vďaka tejto analytickej technike je možné určiť, ktoré atómy obklopujú ¹³C a ku ktorým funkčným skupinám patria. Môže sa teda určiť uhlíkový skelet akejkoľvek organickej zlúčeniny.

referencie

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. Organická chémia. Amíny. (10. vydanie.) Wiley Plus.
2. Blake D. (4. mája 2018). Štyri vlastnosti uhlíka. Zdroj: sciencing.com
3. Kráľovská spoločnosť chémie. (2018). Carbon. Prevzaté z: rsc.org
4. Pochopenie evolúcie. (N. D.). Cesta uhlíkového atómu. Zdroj: evolution.berkeley.edu
5. Encyclopædia Britannica. (14. marca 2018). Carbon. Zdroj: britannica.com
6. Pappas S. (29. septembra 2017). Fakty o Carbon. Zdroj: livescience.com